Все о скорости света




Указано расстояние от Солнца до Земли, равное 150 миллионам километров.
Солнечному свету требуется около 8 минут 19 секунд, чтобы достигнуть Земли
Точные значения
Метров в секунду

299 792 458

Планковских единиц

1

Приблизительные значения
километров в секунду

300 000

километров в час

1,08 млрд

миль в секунду

186 000

миль в час

671 млн

астрономических единиц в день

173

Приблизительное время путешествия светового сигнала
Расстояние

Время

один фут

1,0 нс

один метр

3,3 нс

один километр

3,3 мкс

одна статутная миля

5,4 мкс

от геостационарной орбиты до Земли

119 мс

длина экватора Земли

134 мс

от Луны до Земли

1,255 с

от Солнца до Земли (1 а. е.)

8,3 мин.

от Вояджера-1 до Земли

16,6 часов (на март 2012)[1].

Один световой год

1 год

один парсек

3,26 лет

от Проксимы Центавра до Земли

4,24 лет

от Альфы Центавра до Земли

4,37 лет

от ближайшей галактики (Карликовой галактики в Большом Псе) до Земли

25 000 лет

через Млечный Путь

100 000 лет

от Галактики Андромеды до Земли

2,5 млн лет

от самой удалённой известной галактики до Земли

13 млрд лет

Ско́рость све́та в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме[2]. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [це]). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

  • 1 В вакууме (пустоте)
  • 2 В прозрачной среде
  • 3 История измерений скорости света
  • 4 Сверхсветовое движение
  • 5 В культуре
  • 6 См. также
  • 7 Примечания
  • 8 Литература
  • 9 Ссылки

В вакууме (пустоте)

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч. Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды[3]. Для решения школьных задач и разного рода оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение 300 000 000 м/с (3×108 м/с).

В природе со скоростью света распространяются (в вакууме):

  • собственно, видимый свет и другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты и др.);
  • предположительно — гравитационные волны.

Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость имеют массивные частицы, полученные на ускорителе или входящие в состав космических лучей.


В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом).

Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например — солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой)[4]. (Подробнее см. Сверхсветовое движение, также соответствующий раздел данной статьи ниже).

В прозрачной среде

Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ = c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c. Однако в неравновесных средах она может превышать c. При этом, однако, передний фронт импульса все равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.


Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

История измерений скорости света

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной[5]. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.

Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.

Сверхсветовое движение

Из специальной теории относительности следует, что превышение скорости света физическими частицами (массивными или безмассовыми) невозможно, так как это нарушило бы фундаментальный принцип причинности — в некоторых инерциальных системах отсчёта оказалась бы возможной передача сигналов из будущего в прошлое. Однако теория не исключает для гипотетических частиц, не взаимодействующих с обычными частицами, движение в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью.


Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически движение тахионов описывается преобразованиями Лоренца как движение частиц с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее массивной частице (как с вещественной, так и с мнимой массой) достичь скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно.

Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и во-вторых, никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности — с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а разность их скоростей также не достигает скорости света.

Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой, в отличие от безмассовых частиц, называемых люксонами. Люксоны в вакууме всегда движутся со скоростью света, к ним относятся фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны.


В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

C 2006 года появляются сообщения о том, что в так называемом эффекте квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, в 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесённые на 18 км в пространстве запутанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана — сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Анализ этих и подобных результатов показывает, что они не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо несущего информацию сообщения или для перемещения вещества[6].

В результате обработки данных эксперимента OPERA[7], набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо совместно с ЦЕРН, было зафиксировано статистически значимое указание на превышение скорости света мюонными нейтрино[8].
общение об этом сопровождалось публикацией в архиве препринтов[9]. Полученные результаты специалисты подвергли сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино[10]. В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили[11][12]. В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля)[13].

В культуре

В фантастическом рассказе «Светопреставление» Александр Беляев описывает ситуацию, когда скорость света снижается до нескольких метров в секунду.

См. также

  • Сверхсветовое движение
  • Скорость звука
  • Переменная скорость света
  • Световой год

Литература

  • Е. Б. Александров, П. А. Александров, В. С. Запасский, В. Н. Корчуганов, А. И. Стирин. Эксперименты по прямой демонстрации независимости скорости света от скорости движения источника // Успехи физических наук. — 2011. — В. 12..
  • Физические величины: Справочник./А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова М.: Энергоатомиздат, 1991, — 1232 с — ISBN 5-283-04013-5

Источник: dic.academic.ru

Что такое скорость света?

Давайте для начала разберемся, что такое скорость света. По-научному, это такая величина, которая показывает, насколько быстро перемещаются лучи в вакууме или в воздухе. Также нужно знать, что такое свет. Это излучение, которое воспринимается человеческим глазом. От условий окружения зависит быстрота, а также другие свойства, например, преломление.

Свет от Луны до Земли
Свет от Луны до Земли

Что такое скорость света своими словами?

Если объяснять простыми словами, скорость света — это временной промежуток, за который световой луч проходит какое-нибудь расстояние. Время принято измерять в секундах. Однако некоторые ученые используют другие единицы измерения. Расстояние тоже измеряется по-разному. В основном — это метр. То есть, эту величину считают в м/с. Физика объясняет это следующим образом: явление, которое движется с определенной скоростью (константой).

Чтобы легче понять, давайте рассмотрим следующий пример. Велосипедист движется с быстротой 20 км/ч. Хочет догнать водителя автомобиля, скорость которого равна 25 км/ч. Если посчитать, то авто едет на 5 км/час быстрее велосипедиста. С лучами света дела обстоят по-другому. Как быстро бы ни двигался первый и второй человек, свет, относительно них, движется с постоянной быстротой.

Чему равна скорость света?

При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.

Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.

Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.

Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.

Телескоп рефрактор - схема
Телескоп рефрактор – схема

В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.

Самое точное значение скорости света

Ученые-физики за многие года накопили опыт исследований скорости световых лучей. На текущий момент самое точное значение скорости света — 299 792 километра в секунду. Константу установили в 1933 году. Число актуально до сих пор.

Однако в дальнейшем появились сложности с определением показателя. Это произошло из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас само значение метра напрямую зависит от скорости света. Оно равняется расстоянию, которое лучи проходят за определенное количество секунд — 1/скорость света.

Чему равна скорость света в вакууме?

Поскольку в вакууме на свет не влияют различные условия, то его скорость не меняется так, как на Земле. Скорость света в вакууме равна 299 792 километрам в секунду. Такой показатель является предельным. Считается, что ничто в мире не может двигаться быстрее, даже космические тела, которые движутся довольно быстро.

К примеру, истребитель, Боинг Х-43, который превышает скорость звука практически в 10 раз (более 11 тысяч км/ч), летит медленнее, чем луч. Последний движется более, чем на 96 тысяч километров в час быстрее.

Как измеряли скорость света?

Самые первые ученые пытались измерить эту величину. Использовались разные методы. В период античности, люди науки считали, что она бесконечная, поэтому невозможно ее измерить. Это мнение осталось надолго, вплоть до 16-17 века. В те времена появились другие ученые, которые предположили, что луч имеет конец, а скорость можно измерить.

Измерение скорости света
Измерение скорости света

Известный астроном из Дании Олаф Рёмер вывел знания о скорости света на новый уровень. Он заметил, что затмение спутника Юпитера опаздывает. Ранее на это никто не обращал внимание. Следовательно, он решил посчитать скорость.

Он выдвинул приблизительную скорость, которая была равна около 220 тысячам километров в секунду. Позже за исследования взялся ученый из Англии Джеймс Брэдли. Он хоть и не был прав полностью, но слегка приблизился к текущим результатам исследований.

Через некоторое время большинство ученых заинтересовались этой величиной. В исследованиях принимали участие люди науки из разных стран. Однако до 70-х годов 20 века каких либо грандиозных открытий не было. С 1970-х, когда придумали лазеры и мазеры (квантовые генераторы), ученые провели исследования и получили точную скорость. Текущее значение актуально с 1983 года. Исправляли лишь небольшие погрешности.

Опыт Галилея

Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.

Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.

Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

Как измеряли скорость света?
Как измеряли скорость света?

Опыт Рёмера и Брэдли

Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.

Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.

Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.

В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.

Опыт Физо

Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.

Опыт Физо
Опыт Физо

Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.

Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.

Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.

Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.

Источник: kipmu.ru

О скорости света

Скорости бывают разные.

Введение Скорость света конечна, постоянна и недостижима. Недостижима, как бесконечность и постоянна, как бесконечность. Но конечна. Вот такая математическая головоломка. Один вариант ее решения нам известен уже сто лет. Вы уверены, что он правильный? Я нет. Мы не сомневаемся в том, что скорость света конечна, потому что мы ее измерили и продолжаем измерять. Мы анализируем результаты измерений, уточняем в справочниках ее среднее значение. Но что мы берем за точку отсчета времени, когда измеряем ее? Конечно самих себя, нашу планету –Землю. Мы давно уже знаем, что мы не центр вселенной в пространстве, но, по отношению к времени, все еще продолжаем считать себя центром мира. Мы забываем, что если Земля движется в пространстве, то она движется также и во времени.

Скорость фотона.

Я не верю в то, что скорость света непреодолима. Допустим, космический корабль не может разогнаться относительно Земли быстрее, чем скорость света. Ладно. Что ему мешает, приблизившись к скорости света, изменить точку отсчета и спокойно разгонятся дальше уже относительно нее? Можно просто что-нибудь скинуть за борт, скажем радиомаяк. Этот радиомаяк, как точка отсчета, будет ничем не хуже Земли. Вы скажете, что он движется. Ну и что? Земля тоже не центр вселенной. Эту операцию корабль может проделать хоть миллион раз. Выходит, что для самого космического корабля преодоление скорости света не вопрос. По большому счету даже радиомаяки не нужны. Недостижимость скорости света объясняется тем, что для движущегося космического корабля время замедляется. Замедляется оно относительно нашего времени – земного. Давайте разберемся. Предположим, черепаха проходит 1 метр за 10 секунд. Представьте, что она воспринимает время не так, как мы, а в два раза медленнее. У нее даже есть свои часы, которые идут в два раза медленнее наших. Эти наши 10 секунд для нее превращаются в 5. С ее точки зрения она движется со скоростью не 10 см/сек, а в два раза быстрее – 20 см/сек. Для черепахи в два раза замедлено время, для нас в два раза замедлена ее собственная скорость. Простая пропорция. Теперь обратимся к учебнику. Собственное время объекта t0, движущегося со скоростью v, замедляется с увеличением скорости относительно нашего времени t по формуле: Все о скорости света Давайте решим с помощью этой формулы простую задачку: Как замедляется время для ракеты, летящей со скоростью 0.8 c (c – скорость света)? Ответ: t0 = 0,6t. Такая ракета долетит до Луны примерно за 1,5 секунды. За 10 секунд она пролетит 2.4 миллиона километров. До того, как мы определили величину замедления времени, мы ничего не знали о скорости ракеты с ее собственной точки зрения. Давайте ее найдем. Для нас она пролетает 2.4 миллиона километров за 10секунд. Эти 10 наших секунд для ракеты равны 6 секундам. Делим 2.4 миллиона на 6, получаем: собственная скорость ракеты равна 4/3 скорости света. С цифрами не поспоришь, для самой ракеты скорость света превышена. Ничего удивительного. Ракета, как и в примере с черепахой, идет с большей скоростью, чем посчитали мы. Мы оцениваем ее скорость в своих секундах, она – в своих секундах. Для ракеты замедлилось время – для нас ее скорость. Постулату о недостижимости скорости света требуется “маленькая” поправка: он распространяется только на нас, как на наблюдателей, неподвижных относительно Земли. Для нас Земля – точка отсчета расстояния и скорости. Для ракеты такой точкой отсчета является она сама. Давайте дозаправлять нашу ракету на ходу и разгоним ее до бесконечной скорости (во много раз больше скорости света). Что мы увидим с Земли? Вот с тем, что с Земли эту бесконечную скорость мы не увидим, я не спорю. Мы увидим, что она движется практически со скоростью света. В первом приближении замедление времени для ракеты (по сравнению с земным временем) будет равно отношению c/v, где c – скорость света, v – та “бесконечная” скорость, до которой мы сумели ее разогнать. Вопрос: Если v – это скорость нашей ракеты, то кто тогда движется со скоростью c – скоростью света? Сам свет? Фотоны? Разве для самого фотона время не замедляется? Он что, особенный? Я не вижу причины считать фотон исключением из правила. С какой скоростью действительно носятся фотоны? С бесконечной! Именно это обстоятельство делает наблюдаемую нами конечную скорость света такой постоянной и недостижимой. Скорость света (300000 км/сек) для нас недостижима, постоянна и конечна. Недостижима как бесконечность и постоянна как бесконечность. С чем бесконечность ни складывай, она не меняется. Почему же для нас она конечна?

Скорость Земли и скорость нашей Галактики.

Говоря о замедлении времени для ракеты, мы берем за точку отсчета Землю. В свою очередь, она и сама может быть такой же точкой отсчета для Земли. То, что она движется относительно нас, означает, что мы сами тоже движемся относительно нее, только в другую сторону. Для кого время должно замедляться? То, что замедление времени будет обоюдным, я даже не допускаю. Не могут же часы на ракете идти одновременно и медленнее, и быстрее земных часов. Замедляться во времени должен кто-то один. Во сколько раз один замедлится во времени, во столько же раз другой будет относительно него ускорен. Как выбрать? Бросим монетку?

Зайдем с другой стороны. Собственная скорость фотона бесконечна. Определенно она значительно превосходит скорость движения самой Земли, какая бы та ни была. Именно это обстоятельство является условием выбора. Замедляется во времени тот, кто быстрее. Может ли разогнавшийся относительно нас космический корабль быть медленнее Земли? Чему тогда равна ее скорость?

Земля – не центр вселенной. Она просто наша точка отсчета. Ее можно и поменять – взглянуть со стороны. Земля движется относительно Солнца, Солнце относительно центра Млечного Пути. Мы, вместе с нашей галактикой, движемся в пространстве. Движемся с какой-то конкретной скоростью и в каком-то конкретном направлении. Мы движемся относительно самого пространства, относительно каждой неподвижной в нем точки. С какой скоростью? Представить себе неподвижную в пространстве точку несложно. Но этого недостаточно. Нам еще нужна точка неподвижная во времени. Что является неподвижным во времени? Для ответа на этот вопрос нам необходимо ответить на другой: Как связано пространство и время? Не надо изобретать велосипед. Нам известна эта связь между расстоянием и временем. Она выражается простой формулой: s=vt. Нулевая скорость обеспечивает неподвижность в пространстве. Переворачиваем формулу: t=s/v. Бесконечная скорость – неподвижность во времени. Вот в чем сложность. Нельзя быть одновременно неподвижным в пространстве и во времени. Эти неподвижные во времени точки носятся по пространству с бешеной скоростью во всех направлениях. Точка во времени – бесконечный луч в пространстве. Они сшивают пространство нитками времени. Их бесчисленное множество и называются они фотоны. Вот и попробуйте после этого нарисовать единую временную карту мира. Мы измеряем скорость света. Мы видим, что она конечна. С нашей точки зрения фотон движется во времени по формуле t = s/c, где s – пройденное расстояние; c – скорость света. С точки зрения самого фотона он в этом времени неподвижен. Кто прав? Мы, в отличие от фотона, считать себя неподвижными во времени не можем. Прав фотон. Это не он движется во времени относительно нас, а мы относительно него, по той же самой формуле. Мы приписали фотону свое собственное движение во времени относительно него. Измеряя скорость света, на самом деле мы измеряем нашу собственную скорость. Это наша скорость в пространстве равна 300000 км/сек. Говоря о нашей скорости, я имею в виду не только саму Землю, но как минимум всю нашу галактику. Даже орбитальная скорость Солнца в ней не сравнима с этой скоростью (меньше 0.1%). Мы не замечаем этого движения, точно так же как не замечаем ни вращения Земли, ни ее движения вокруг Солнца.

Пояснения.

Что я имею в виду, говоря о бесконечности? Бесконечность – это очень большое, но конечное число. Ее можно даже в квадрат возводить. Конкретная бесконечность равна конкретному числу. Обратная величина от бесконечности не равна абсолютному нулю, она равна очень маленькому, близкому к этому нулю значению. Гипербола y=1/x никогда не пересекается с осями координат, даже если значение x равно бесконечности. В точке ноль (абсолютный ноль) она вообще не существует. Конечно, вы можете не согласиться с таким определением. Главное, чтобы вы понимали, что я имею в виду, говоря о бесконечной скорости фотона. Я имею в виду скорость, во много раз превосходящую известную нам скорость света. Сколько это много – другой вопрос. И еще. Если, говоря о фотоне, я подразумеваю, что он имеет бесконечную (очень большую) скорость, то, говоря о скорости света, я имею в виду его конечное и конкретное справочное значение. Скорость света для нас конечна и положительна. Мы, относительно фотона движемся в свое будущее. Значит, для фотона мы движемся в прошлое? Не спешите с выводами. Плюс и минус это всего лишь смена направления движения. Расстояние от точки 0 до точки –1 км равно 1 км. Пройденное расстояние не зависит от направления. Одометр (счетчик километров на спидометре) прибавит этот километр, а не отнимет. Так и со временем. Куда бы мы ни двигались относительно фотона во времени, на наших часах стрелки крутятся только в одну сторону. Взгляните внимательно на формулу (2) s=vt. В этой формуле и расстояние, и скорость можно разложить по трем координатам. Не надо делать исключения и для времени. Почему время замедляется или ускоряется? Время замедляется совсем не для того, чтобы обеспечить постоянство скорости света. Постоянство скорости света обеспечивается постоянством скорости нашего собственного движения. В тоже время скорость нашего движения (скорость света) для нас самих не существует, поэтому мы приписываем ее не себе, а фотону. Бесконечная скорость фотона для нас замедляется до конечной скорости света. Это видимое (наблюдаемое) замедление скорости фотона не является следствием замедления времени для него. Как раз наоборот, оно является причиной нашего ускорения относительно него во времени. Мы ускоряемся во времени относительно фотона в бесконечное число раз. Первопричина этому – движение. Кто медленнее движется, для того быстрее идет время, и наоборот. Скорость движения во времени обратно пропорциональна скорости движения в пространстве. Гипербола. Мы измеряем скорость света на расстоянии |AB| туда и обратно. За время измерения мы сами перемещаемся в пространстве на тоже расстояние, которое прошел свет. Как так получается?

Попробую объяснить. Точки A и B движутся в пространстве параллельно. Собственная скорость фотонов, как она ни бесконечна, все равно складывается со скоростью точки A. Мы должны это учитывать? Вообще-то мы определяем скорость света относительно Земли, она и является точкой отсчета расстояния. Мы не замечаем собственной скорости. Мы – точка отсчета, для нас этой скорости не существует. То, что не существует, не может замедлиться или ускориться. Относительно нас замедляется только скорость фотонов, а не ее сумма с нашей скоростью. Это видимое (наблюдаемое) замедление. Причина, а не следствие.

Теперь определимся со временем. Время для фотона, по отношению к нам, замедленно в бесконечное число раз. И наоборот, наше время, по отношению к фотону, ускорено в это же бесконечное число раз. Пока фотон “идет” туда, мы движемся относительно него во времени в одном направлении. Обратно – наше направление движения во времени относительно него “меняет знак”. Для фотона эти плюс и минус в сумме дают ноль, а наши часы идут только в одну сторону. Фотон во времени не движется. Но, отражая его зеркалом, мы сами движемся относительно него туда и обратно во времени. Фотон – точка отсчета во времени. Он имеет в этом времени свое направление – нулевой вектор. Отражая зеркалом фотон, мы отражаем и этот вектор. В итоге относительно этого фотона мы переворачиваем во времени не только самих себя, но и всю вселенную. Скорость света в любой прозрачной материи (воде, стекле и т. д.) меньше скорости света в вакууме. В то же время скорость света в вакууме для нас равна скорости нашего собственного движения. Получается, что вода движется медленнее нас. Почему она от нас не отстает? Вода движется вместе с нами, движется параллельно нам. Если мы возьмем два резистора и соединим их параллельно, то общее их сопротивление будет меньше каждого из них. Материя вносит для нас в измеряемую в ней скорость света свое “параллельное сопротивление”. Наблюдаемая нами скорость света недостижима. Мы не можем с помощью прозрачных материалов увеличить эту скорость. Можем только уменьшить.

Направление движения.

Земля движется в пространстве по спирали вокруг Солнца и вместе с ним. Солнце, в свою очередь, тоже движется по спирали вокруг центра галактики. Можно предположить, что со временем расстояние между витками такого спирального движения выравнивается. Это выравнивание витков приводит к тому, что все звездные системы и галактики приобретают форму плоского блина. В каком направлении движется целиком весь наш Млечный Путь? Похоже, что вдоль оси своего вращения. Остается уточнить в какую именно сторону. Варианта два. Может ли космический корабль быть медленнее Земли? Конечно. Взяв старт с Земли, он уже имеет начальную скорость в пространстве, равную скорости света, она же скорость нашей галактики – нашего маленького кусочка огромного мира. Эту скорость можно как увеличить, так и погасить. Если корабль будет увеличивать эту скорость, то его время относительно нашего будет замедляться, если уменьшать, то наоборот – ускоряться. Скорость движения во времени обратно пропорциональна скорости движения в пространстве.

Формула замедления скорости.

Для того чтобы оценить замедление (ускорение) времени для объекта наблюдения, необходимо найти его абсолютную скорость в пространстве. Она является векторной суммой его скорости относительно нас с нашей собственной скоростью. Под скоростью объекта относительно нас я имею в виду не ту скорость, которую видим (наблюдаем) мы, а его действительную скорость. Для фотона, например, наблюдаемая нами скорость равна скорости света, действительная – бесконечна. Как и при измерении скорости света, так и при измерении скорости наблюдаемого нами объекта, мы забываем о собственном движении во времени. Мы списываем это время на сам объект. Стоит его просто вычесть, и мы увидим действительную скорость объекта относительно нас. Возьмем конкретное расстояние s. Обозначим: v – скорость объекта, наблюдаемая нами, v0 – действительная его скорость относительно нас. Пишем: Все о скорости света, где c – скорость света. Преобразуем: Все о скорости света Назовем ее формулой замедления скорости. Между прочим, по такой же формуле находиться общее сопротивление двух параллельных резисторов. Эта универсальность мне нравиться. В этой формуле наша собственная скорость (скорость света) играет роль параллельного сопротивления, уменьшающего действительную скорость объекта до наблюдаемой нами скорости. Подставьте в эту формулу вместо действительной скорости бесконечную, и фотон для нас будет иметь скорость света. Подставьте скорость света, и она для нас замедлиться на половину. Подставьте 100 км/сек, и они практически останутся теми же 100 км/сек. Обратите внимание, действительная скорость определяется в нашем масштабе времени – в наших секундах. Мы еще не можем учитывать возможное замедление (или ускорение) времени для самого объекта. Какое значение она имеет для нас? Представьте, что прямо в Землю летит астероид. Нам интересно знать, что он сам думает о своей скорости? Нет. Нас беспокоит, с какой скоростью он действительно в нас врежется. Вот эта скорость и есть действительная скорость объекта относительно нас.

Медленно и осторожно.

Допустим, мы знаем не только скорость нашего движения в пространстве, но и направление этого движения – вектор. Этого достаточно чтобы определить замедление (или ускорение) времени для любого наблюдаемого нами объекта, естественно по сравнению с нашим земным временем? Смотря, что мы имеем в виду под словом “наблюдение”. Если мы сможем измерить его скорость, то да.

  • Шаг 1. Нам надо измерить скорость объекта. Здесь мы уже наступаем на первый подводный камень. Допустим, мы измеряем скорость ракеты, летящей от Земли до Луны. Луна находиться от нас на расстоянии примерно 1.25 световой секунды. Если ракета находиться в пути несколько дней и даже часов, будем ли мы учитывать эту секунду с хвостиком? С практической точки зрения мы даже не будем задумываться о том, что для этой ракеты время замедляется. Другое дело, если она летит до Луны всего несколько секунд. Нам придется учитывать, что о прибытии ракеты на Луну мы узнаем с опозданием на 1.25 секунды. Итак, измеряем скорость объекта. Обозначим его буквой v и назовем скоростью объекта, наблюдаемой нами или наблюдаемой скоростью.
  • Шаг 2. У нас есть формула (см. выше) — формула замедления скорости. По ней и найдем действительную скорость объекта – v0. Давайте решим с помощью этой формулы конкретную задачку: Наблюдаемая нами скорость ракеты равна 0.8 c (c – скорость света). Какова ее действительная скорость относительно нас? Ответ: 4 c. Не будем пока задумываться над тем, как для ракеты замедлится ее время, а для нас ее скорость. Мы еще не готовы это сделать. Мы не можем вычислить замедление времени для объекта сразу относительно Земли. Нам потребуется промежуточное звено – фотон. Мы знаем, что для нас скорость фотона замедляется до скорости света. Но еще не знаем, до какой скорости она замедляется для самого объекта. Мы не знаем, чему для него равна скорость света.
  • Шаг 3. Мы знаем собственную скорость и направление движения. Кроме того, нам известна действительная скорость объекта и направление этой скорости. У нас есть все, чтобы построить треугольник скоростей и определить еще одну скорость для объекта – абсолютную скорость его движения в пространстве. Обозначим ее v1 и назовем абсолютной скоростью. Введем еще два обозначения: α – угол между нашим вектором движения и вектором действительной скорости объекта; β – угол между нашим вектором движения и вектором абсолютной скорости объекта. Рис. 1

    Имеем: Опять же, обращаю ваше внимание, что абсолютная скорость для объекта рассчитывается в нашем масштабе времени. Абсолютная скорость – это скорость объекта с нашей точки зрения (в наших секундах).

  • Шаг 4. Мы рассчитали скорость объекта в пространстве в нашем масштабе времени. Если она больше нашей скорости света, то относительно нас его время замедлится, если меньше – ускориться. Осталось всего ничего – составить пропорцию и назвать ее формулой замедления собственного времени t0 для движущегося объекта. Все о скорости света Это еще не все.
  • Шаг 5. Для объекта изменилось время – для нас его скорость. Осталось узнать, что он сам думает о своей скорости? Переведем абсолютную скорость объекта в его собственный масштаб времени: Все о скорости света , где v2 – собственная скорость объекта. Маленький нюанс. Если объект движется в пространстве в два раза быстрее нас, в его масштабе времени эта скорость будет равна не двум, а четырем скоростям света. С его точки зрения и наша скорость будет равна удвоенной скорости света. Замедлилось время, увеличилась скорость. Рис. 2 Величину собственной скорости космического корабля в принципе можно определить, измеряя скорость света прямо на нем. Вопрос в том, как и чем? Изменилась физическая постоянная – скорость света. Какие еще физические постоянные величины на самом деле постоянными не являются? Другая скорость света – это другой мир. Мы не знаем, как будут вести себя наши приборы и компьютеры. Самое главное, мы не знаем, сможем ли мы сами выжить в этом другом мире.

Частные случаи.

  1. Если скорость объекта бесконечна, собственную скорость и направление движения Земли можно просто не учитывать. Для нас его действительная скорость будет равна его абсолютной скорости (но не собственной).
  2. Если объект движется быстрее нас и параллельно направлению нашего собственного движения (угол α равен нулю), его время для нас замедляется. Его абсолютная скорость равна сумме действительной скорости (относительно нас) с нашей скоростью (нашей скоростью света): v1= v0+c.
  3. Если объект движется перпендикулярно вектору нашего движения, то Все о скорости света Один из примеров такого движения – Луна как наш спутник.
  4. Объект движется параллельно нам, но медленнее. Тогда: v1= |c — v0|.

Последний случай следует рассмотреть подробней. Когда действительная скорость объекта меньше нашей скорости света, его абсолютная скорость тоже меньше нашей. Здесь все понятно: для объекта время ускоряется. Но при большем значении действительной скорости, абсолютная скорость объекта приобретает отрицательное значение. О чем говорит этот минус? Он показывает всего лишь смену направления движения, как в пространстве, так и во времени. К сожалению, этот минус не заставляет стрелки на часах крутиться в обратную сторону, он не дает нам возможность попасть в прошлое Земли. Этого не может сделать даже фотон с его бесконечной скоростью. Мы можем оказаться в пространстве там, где Земля была в прошлом, но ее самой там уже не будет. Она как удалялась от нас, так и будет удаляться. Вывод: не надо обращать на минус внимания – берем модуль.

Что получится, если абсолютная скорость объекта будет равна нулю? Это значит, что его время для нас ускориться в бесконечное число раз. Сделайте мысленную копию с нашего Солнца и остановите ее в пространстве (подальше от нас для безопасности): все его время жизни как звезды превратиться для нас в один миг. Но в этот миг оно будет для нас ярче всех звезд на небе.

Длина волны фотона.

При увеличении скорости объекта для нас уменьшается его длина –линейный размер. Это изменение размера не зависит от того, как для объекта замедлилось или ускорилось время. Размер изменяется для нас, т. е. относительно нас. Для его нахождения нам не надо искать ни абсолютную (в наших секундах), ни собственную скорость объекта. Вполне достаточно определить его действительную скорость относительно нас. Обозначим: — Все о скорости света линейный размер объекта; Все о скорости света — видимый размер (наблюдаемый нами). Пишем формулу: Все о скорости света, где v – наблюдаемая нами скорость объекта, v0 – его действительная скорость. Интересно то, что уменьшение линейного размера заметно лишь при действительной скорости объекта (скорости относительно нас) сравнимой с нашей собственной скоростью движения – скоростью света. С точки зрения фотона наш размер не измениться. Для него скорость света – штука медленная. А вот с нашей точки зрения его размер уменьшиться очень сильно. Какой у фотона линейный размер? Длина волны! Как скорость фотона ни бесконечна, она равна очень большому, но конкретному числу. В данном случае нас интересует его абсолютная скорость (в нашем масштабе времени). Для нас она условно равна его действительной скорости относительно нас. Обозначим: λ0- длина волны фотона (собственная и очень большая); λ- видимая длина волны (видимая нами); Все о скорости света — действительная скорость фотона (очень большая). Пишем формулу: Все о скорости света Далее воспользуемся формулой из учебника: Все о скорости света, где f – частота света. Получаем: Все о скорости света Теперь представьте, что фотон прилетел к нам издалека. В пути он “устал”, по какой то причине потерял часть своей энергии. Чем длиннее путь, тем больше потеря энергии. Потеря энергии – потеря скорости. Потеря скорости – уменьшение частоты света. Уменьшение частоты – увеличение видимой нами длины волны. Это называется красным смещением спектра далеких звезд. Возникает вопрос: Одинаковы ли первоначальные скорости всех фотонов? Есть большое подозрение, что все фотоны имеют одну длину волны, а видимое нами ее значение зависит только от их скорости. Пусть скорости и бесконечные, но они разные Представьте только: одна и та же элементарная частица может иметь разную энергию – разную скорость. Интересно, радиоволна случайно состоит не из таких же фотонов, только с меньшей скоростью? А рентгеновское излучение? Границы между этими видами излучения весьма размытые. Различие способов их получения еще ни о чем не говорит.

Источник: for-schoolboy.ru

Скорость света: чему она равна и как ее измерять

Скорость света — это величина, характеризующая быстроту перемещения света.

До второй половины XVII века скорость света считалась бесконечной, пока ее не измерил датский астроном Олаф Рёмер. Он наблюдал затмения спутника Юпитера Ио и заметил, что они не совпадают по времени с расчетными, а зависит это несовпадение от расстояния между событием и наблюдателем. Принимая во внимание положение Земли на своей орбите относительно Юпитера, Рёмер подсчитал, что скорость света равна 220 000 км/с.

В начале XIX века французский ученый Физо разработал для измерения скорости света так называемый метод прерываний. Физик направил луч света на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8,6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов Физо получил результат — 313 000 км/с.

Опыт Физо для измерения скорости света

Изобретение лазера в XX веке позволило дойти до предела точности и зафиксировать скорость света на отметке 299 792 458 м/с с погрешностью 1,2 м/c. Дальнейшее уточнение стало невозможным из-за отсутствия точного определения метра. В то время за эталон брали металлическую палку, хранящуюся в палате мер и весов.

В восьмидесятых годах прошлого века Генеральная конференция по мерам и весам (да, такая действительно существует) приняла за метр расстояние, которое преодолевает свет за 1/299 792 458 секунды. Соответственно, скорость света стала официально равной 299 792 458 метров в секунду. Для удобства ее значение принято округлять до 300 000 км/с.

Неудавшийся опыт Галилея

Чтобы измерить скорость света, в 1600 году Галилей и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари и оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно открывая и закрывая огонь, они пытались рассчитать скорость света. Галилей и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать огонь. Когда один из них открывал заслонку, то же должен был сделать и другой.

Однако эксперимент был провальным, и неудивительно: чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.

Скорость света в различных средах

Свет распространяется в разных средах по-разному. В вакууме и в воздухе скорость света почти не различается, а вот в других средах она меньше. Это зависит от оптической плотности среды — чем она больше, тем меньше скорость распространения света.

Основной характеристикой в данном случае служит показатель преломления среды. Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости распространения света в среде.

Показатель преломления среды

n = c/v

n — показатель преломления среды [-]

с — скорость света [м/с]

v — скорость света в заданной среде [м/с]

Ниже представлена таблица скоростей света в разных средах и показателей преломления в них.

Среда

Скорость света, км/с

Показатель преломления среды

Вакуум

300 000

1

Воздух

299 704

1,003

Лед

228 782

1,31

Вода

225 341

1,33

Стекло

200 000

1,5

Сахар

192 300

1,56

Сероуглерод

184 000

1,63

Рубин

170 386

1,76

Алмаз

123 845

2,42

Параметры, связанные со скоростью света

Самые важные параметры — это длина волны и период.

Формула скорости света

c = λ/T

с — скорость света [м/с]

λ — длина волны [м]

T — период [с]

Задачка для практики

Определите цвет освещения, проходящий расстояние в 1000 раз больше его длины волны за 2 пикосекунды.

Решение

Для начала переведем 2 пикосекунды в секунды — это 2 * 10-12 с.

Теперь возьмем формулу скорости: v = S/t

По условию S = 1000λ, то есть v = 1000λ/t.

Выражаем длину волны:

λ = vt/1000

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = (3 * 108 * 2 * 10-12)/1000 = 600

И соотносим со шкалой видимого света:

Шкала видимого света

На шкале видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Скорость выше, чем скорость света

Здесь мы подходим к самому интересному. По сути, преодолеть скорость света — это то же самое, что изобрести машину времени. Ведь мы не можем увидеть свет от зажженного на улице фонаря раньше, чем он зажегся. Казалось бы, вопрос закрыт, машина времени невозможна и вообще все мечты детства разрушены. Но на самом деле это не совсем так.

Физически машину времени ничто не запрещает. То есть с точки зрения физики она вполне возможна, у нас есть только технические ограничения.

Согласно общей теории относительности, чем быстрее мы разгоняем частицу, у которой есть некая масса, тем больше энергии нам требуется. По мере приближения к скорости света эта энергия будет стремиться к бесконечности. Но это не означает, что свет на порядки быстрее всего во Вселенной. Например, ученые ЦЕРНа разогнали протоны в Большом адронном коллайдере до скорости 299 792 455 м/c, что всего на 3 м/с уступает невесомым фотонам света.

Описанные выше ограничения, которые накладывает на скорости во Вселенной современная физика, не касаются частиц, которые не имеют массы, не взаимодействуют с обычными частицами и могут перемещаться быстрее скорости света. Такие частицы принято называть тахионами и на данный момент их существование является лишь предположением (сложно придумать эффективный инструмент для их обнаружения, ведь они ни с чем не взаимодействуют).

В специальной теории относительности есть даже такое понятие, как релятивистское замедление времени. Его смысл заключается в том, что в движущемся теле все физические процессы проходят медленнее.

Классическим примером этого явления является сценарий близнецов. Представим, что один близнец летит на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, а другой остается на Земле. Когда близнец-космонавт вернется на Землю постаревшим всего на год или на два, он обнаружит, что его брат стал старше на несколько десятилетий.

В реальной жизни эксперимент с близнецами никто не проводил, но проводили аналогичный — с часами. Ученые запустили атомные часы на орбиту и оставили идентичные часы на Земле. Когда часы вернулись, они шли с некоторым отставанием от своего земного близнеца.

Еще один популярный пример сверхсветовой скорости — это явления квантовой механики. В тот самый момент, когда вы надели на правую ногу один носок, второй моментально и автоматически стал левым, несмотря на расстояние между ними.

Или эксперимент с котом Шрёдингера, про который вы наверняка что-то слышали.

Лирическое отступление про кота Шрёдингера

Физик, которому не очень нравятся кошки, помещает кота в коробку вместе с бомбой, которая взрывается с вероятностью 50% после того, как закрыли крышку. До того, как мы откроем коробку, нет способа узнать, взорвалась ли бомба. Поэтому мы не знаем, жив кот или мертв.

Оперируя понятиями квантовой физики, мы можем сказать, что до нашего наблюдения кот находился в состоянии суперпозиции — состоянии, сочетающем в себе обе возможности с шансом 50% для каждой.

Нечто подобное случается с физическими системами квантовых размеров, вроде электрона, вращающегося вокруг атома водорода. Электрон не совсем вращается — он как бы находится во всем пространстве одновременно, а в некоторых местах с большей вероятностью. Только после того, как мы определили его местоположение, мы можем точно указать, где он находится в этот момент. Так же, как мы не знали, был кот жив или мертв до того, как мы открыли коробку.

Это подводит нас к странному и красивому феномену квантовой запутанности. Представим себе, что вместо одного кота в одной коробке у нас было бы два кота в двух разных коробках. Если мы повторим эксперимент с котом Шрёдингера с парой этих котов, в результате эксперимента могут быть четыре возможности:

  • оба кота будут живы,
  • оба мертвы,
  • один будет жив, второй мертв,
  • первый мертв, второй жив.

Ситуации, когда оба кота мертвы или оба кота живы, не соответствуют состоянию суперпозиции. Другими словами, возможна такая система из двух котов, в которой в итоге всегда один из котов будет мертв, а другой жив. Пользуясь техническими терминами, можно сказать, что состояния этих двух котов запутаны.

Назревает вопрос: что произойдет, если этих котов поместить в разных уголках Вселенной. Не поверите, но то же самое! Один из котов в любом случае будет жив, а другой — мертв, хотя какой конкретно кот будет жив, а какой мертв, совершенно непредсказуемо.

Квантовая запутанность была подтверждена в настоящих лабораторных экспериментах. Две субатомные частицы запутаны в состоянии суперпозиции так, что если одна вращается в одну сторону, то другая — в противоположную.

Запутанность находится в центре квантовой информатики — развивающейся области науки, которая ищет применение законам странного квантового мира. Так, квантовая криптография позволяет шпионам надежно посылать друг другу информацию, а квантовое программирование — взламывать секретные коды.

Каждодневная физика со временем может стать более похожей на странный мир квантовой механики. Квантовая телепортация сможет достигнуть такого прогресса, что однажды ваш кот сможет сбежать в более безопасную вселенную, где нет физиков и коробок.

В общем, сверхсветовая скорость существует, хоть у нее и очень слабая доказательная база. Если ученые добьются того, чтобы скорости выше скорости света стали нашей реальностью, то и до машины времени недалеко.

Источник: skysmart.ru

image
Вне зависимости от цвета, длины волны или энергии, скорость, с которой свет перемещается в вакууме, остаётся постоянной. Она не зависит от местоположения или направлений в пространстве и времени

Ничто во Вселенной не способно двигаться быстрее света в вакууме. 299 792 458 метров в секунду. Если это массивная частица, она может лишь приблизиться к этой скорости, но не достичь её; если это безмассовая частица, она всегда должна двигаться именно с этой скоростью, если дело происходит в пустом пространстве. Но откуда нам это известно и что тому причиной? На этой неделе наш читатель задаёт нам три связанных со скоростью света вопроса:

Почему скорость света конечна? Почему она именно такая, какая есть? Почему не быстрее и не медленнее?

Вплоть до XIX века у нас даже не было подтверждений этим данным.

image
Иллюстрация света, проходящего через призму и разделяющегося на чёткие цвета.

Если свет проходит через воду, призму или любую другую среду, он разделяется на разные цвета. Красный цвет преломляется не под тем углом, под которым это делает синий, из-за чего и возникает что-то типа радуги. Это можно наблюдать и вне видимого спектра; инфракрасный и ультрафиолетовый свет ведут себя так же. Это было бы возможно, только если скорость света в среде отличается для света разных длин волн/энергий. Но в вакууме, вне всякой среды, всякий свет перемещается с одной и той же конечной скоростью.

image
Разделение света на цвета происходит из-за разных скоростей движения света, зависящих от длины волны, через среду

До этого додумались только в середине XIX века, когда физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что на самом деле представляет собой свет: электромагнитную волну. Максвелл впервые поставил независимые явления электростатики (статичные заряды), электродинамики (движущиеся заряды и токи), магнитостатики (постоянные магнитные поля) и магнитодинамики (наведённые токи и переменные магнитные поля) на единую, объединённую платформу. Управляющие ею уравнения – уравнения Максвелла – позволяют вычислять ответ на простой вроде бы вопрос: какие типы электрических и магнитных полей могут существовать в пустом пространстве вне электрических или магнитных источников? Без зарядов и без токов можно было бы решить, что никакие – но уравнения Максвелла удивительным образом доказывают обратное.

image
Табличка с уравнениями Максвелла с обратной стороны его памятника

Ничто – одно из возможных решений; но возможно и другое – колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. У них есть определённые амплитуды. Их энергия определяется частотой колебаний полей. Они передвигаются с определённой скоростью, определяемой двумя константами: ε0 и µ0. Эти константы определяют величину электрического и магнитного взаимодействий в нашей Вселенной. Получаемое уравнение описывает волну. И, как у всякой волны, у неё есть скорость, 1/√ε0 µ0, которая оказывается равной c, скорости света в вакууме.

image
Колеблющиеся в одной фазе взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся со скоростью света, определяют электромагнитное излучение

С теоретической точки зрения, свет – безмассовое электромагнитное излучение. По законам электромагнетизма он обязан двигаться со скоростью 1/√ε0 µ0, равной c – вне зависимости от остальных его свойств (энергии, импульса, длины волны). ε0 можно измерить, сделав и измерив конденсатор; µ0 точно определяется из ампера, единицы электрического тока, что и даёт нам c. Та же фундаментальная константа, впервые выведенная Максвеллом в 1865 году, с тех пор появлялась во многих других местах:

• Это скорость любой безмассовой частицы или волны, включая гравитационные.
• Это фундаментальная константа, соотносящая ваше движение в пространстве с вашим движением во времени в теории относительности.
• И это фундаментальная константа, связывающая энергию с массой покоя, E = mc2

image
Наблюдения Рёмера снабдили нас первыми измерениями скорости света, полученными при помощи геометрии и измерения времени, необходимого на то, чтобы свет прошёл расстояние, равное диаметру орбиты Земли.

Первые измерения этой величины были сделаны во время астрономических наблюдений. Когда луны Юпитера входят и выходят в положение затмения, они кажутся видимыми или невидимыми с Земли в определённой последовательности, зависящей от скорости света. Это привело к первому количественному измерению с в XVII веке, которое определили в 2,2 × 108 м/с. Отклонение звёздного света – из-за движения звезды и Земли, на которой установлен телескоп – тоже можно оценить численно. В 1729 году этот метод измерения с показал значение, отличающееся от современного всего на 1,4%. К 1970-м с определили равным 299 792 458 м/с с погрешностью всего в 0,0000002%, большая часть которой проистекала из невозможности точного определения метра или секунды. К 1983 году секунду и метр переопределили через с и универсальные свойства излучения атома. Теперь скорость света равна точно 299 792 458 м/с.

image
Атомный переход с орбитали 6S, δf1, определяет метр, секунду и скорость света

Так почему же скорость света не больше и не меньше? Объяснение такое же простое, как указанный на рис. Выше атом. Атомные переходы происходят так, как происходят, из-за фундаментальных квантовых свойств строительных блоков природы. Взаимодействия атомного ядра с электрическим и магнитными полями, создаваемыми электронами и другими частями атома приводят к тому, что разные энергетические уровни оказываются чрезвычайно близко друг к другу, но всё же немного отличаются: это называется сверхтонким расщеплением. В частности, частота перехода сверхтонкой структуры цезия-133 испускает свет совершенно определённой частоты. Время, за которое проходит 9 192 631 770 таких циклов, определяет секунду; расстояние, которое свет проходит за это время, равняется 299 792 458 метрам; скорость, с которой распространяется этот свет, определяет с.

image
Пурпурный фотон переносит в миллион раз больше энергии, чем жёлтый. Космический гамма-телескоп Ферми не показывает никаких задержек какого-либо из фотонов, пришедших к нам от гамма-всплеска, что подтверждает постоянство скорости света для всяких энергий

Чтобы поменять это определение, нужно, чтобы с этим атомным переходом или с идущим от него светом произошло что-то фундаментально отличное от его текущей природы. Этот пример также даёт нам ценный урок: если бы атомная физика и атомные переходы работали бы в прошлом или на дальних расстояниях по-другому, это было бы свидетельством изменения скорости света со временем. Пока что все проводимые нами измерения лишь накладывают дополнительные ограничения на постоянство скорости света, и эти ограничения весьма строги: изменение не превосходит 7% от текущего значения за последние 13,7 млрд лет. Если бы по какой-то из этих метрик скорость света оказалась не постоянной, или же она отличалась бы у разных типов света, это привело бы к крупнейшей научной революции со времён Эйнштейна. Вместо этого все свидетельства говорят в пользу Вселенной, в которой все законы физики всегда, везде, во всех направлениях, во все времена остаются одинаковыми, включая и физику самого света. В каком-то смысле это тоже достаточно революционные сведения.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Источник: habr.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.